EDA技术的范畴及应用.docx
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EDA技术的范畴及应用
一、ＥＤＡ技术的范畴及应用
１.1、EDA技术的概述
EDA是电子设计自动化的缩写，EDA技术就是以微电子技术为物理层面，现代电子设计技术为灵魂，计算机软件技术为手段，最终形成电子系统或专用集成电路为目的的一门新兴技术。
它融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术，进行电子产品的设计。
EDA技术随着计算机集成电路、电子系统设计的发展，经历了计算机辅助设计（简称CAD），计算机辅助工程设计和电子设计自动化三个发展阶段。
第三代EDA技术的出现，极大地提高了系统设计的效率。
设计师逐步从使用硬件转向设计硬件，从电路级电子产品开发转向系统级电子产品开发。
利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程由计算机自动处理完成，使设计师开始实现“概念、驱动”工程的梦想，摆脱了大量的辅助设计工作，把精力集中于创造性的方案与概念构思上。
从而极大地提高了设计效率，缩短了产品的研制周期。
现代的EDA概念或范畴用得很宽。
包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。
目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。
例如在汽车制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到路面测试，都可能涉及到EDA技术。
本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。
EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级。
1.2、EDA软件平台及常用软件
现代的EDA软件技术已突破了早期仅能进行PCB版图设计或者电路功能模拟的局限，以最终实现可靠的硬件系统为目标配备了电子系统设计自动化的全部工具。
大型的EDA系统，原来都是在UNIX操作系统的工作平台上运行，随着PC机性能的不断提高和WINDOWS操作系统的逐步发展，世界上著名的EDA厂商已先后推出了支持PC-WINDOWS平台的EDA开发软件。
DEA工具层出不穷,而且功能起来越大,越来越完备,其中CAIRCuitMaker,Cadendc,Electronics,Foundationsenes,ispLEVERsystem,Graphics,FilterLab,LsIIogic,MAX+plus,Microsim,Mentor,multixIMT，orCAD，PSPICE，protel，powerPCBEDA，viewlogic，ynopsys等软件影响最为广泛。
①MAX+PLUS支待原理图，VHDL和Verilog语言文件，以及以波形与EDIF等格式的文件作为设计输入，并支持这些文件的任意混合设计，它具有门仿真器，可进行功能仿真和时序仿真，能够产生精确的仿真结果。
MAX+PLUS界面友好，使用便捷，被誉为业界最易学的EDA软件，并支持主流的第三方EDA工具。
②isPLEVERsystem是isplEVER的主要集成环境,通过它可以进行VHDL,Verilog及ABEL语言的设计输入、综合、适配、仿真和在系统下载。
sPLEVERsystem是目前流行的EDA软件中最容易掌握的设计工具之一,操作方便,功能强大,并与第三方EDA工具兼容良好.
③Foundationseries是Xilinx公司较成熟的集成开发的EDA工具.它采用自动化的、完整的集成设计环境.Foundation项目管理器集成了Xilinx实现工具，并包含了强大的synopsysFPGAExpress综合系统，是业界最强大的EDA设计工具之一。
1.3、电子电路设计与仿真工具
从事电子产品设计、研制的人员，经常需要对设计的电路进行实物模拟和调试。
一方面是为验证设计的电路是否能达到设计要求的技术指标，另一方面通过改变电路中元器件的参数，使整个电路达到最佳性能。
过去，我们可能用过试验板或者其他一些电子制作来进行实践，但我们会发现做出的样品，有时候会出现很多的问题，取得数据后，再来修改原设计的电路参数，反复多次直至到设计要求，由于受工作场地，仪器仪表和元器件品种数量的限制，使产品的研制、开发并没有想像中那样理想。
这样一来就浪费了我们的很多时间和物资。
而且增加了产品的开发周期和延续了产品的上市时间，从而使产品失去市场竞争优势。
有没有能够不动用电烙铁试验板就能知道结果的方法呢？
结论是有，这就是电路设计与仿真技术。
随着计算机技术的发展，利用计算机辅助设计和仿真，对电路及系统设计不需要昂贵的实验设备，通过计算机提供的安全有效的设计环境，很方便地使得电路结构及设计观念得到修正，这样设计者直接有计算机模拟、分析、验证和调试，可以快速地反映出设计的电路性能指标，无论是教学还是科研都可以提高工作效率以及节省产品的开发成本和时间。
说到电子电路设计与仿真工具这项技术，就不能不提到美国的飞机设计，完成整项工作仅用了一年的时间，而我国定型一个中型飞机的设计，从草案到详细设计到风洞试验，再到最后出图到实际投产，整个周期大概要10年。
美国为什么有很高的效率，为什么会有这样大的差距呢？
因为美国在设计飞机时，大部分采用的是虚拟仿真技术，把多年积累的各项风洞实验参数都输入电脑，然后通过电脑编程编写出一个虚拟环境的软件，并且使它能够自动套用相关公式和调用长期积累后输入电脑的相关经验参数。
这样一来，只要把飞机的外形设计数据放入这个虚拟的风洞软件中进行试验，从而知道哪里不合理，哪里有问题。
效率自然高了。
最后只要再在实际环境中测试几次，寻找有没有不足就可以定型了。
从他们的波音747到F16都是采用的这种方法，空气动力学方面的数据由资深专家提供，软件开发商是IBM，飞行器设计工程师只需利用仿真软件在计算机平台上进行各种仿真调试工作即可。
同样，他们其他的很多东西都是采用了这样类似的方法，从大到小，从复杂到简单，甚至包括设计家具和作曲，只是具体软件内容不同。
其实，他们发明第一代计算机时就是这个目的。
电子电路设计与仿真工具包括EWB、SPICE/PSPICE、multiSIM7、Matlab、SystemView、MMICAD、Liewire、Edison、TinaProBrightSpark等。
①EWB：
提供交换式的人机图形界面，绘电路图需要的元器件，电仿真需要的测试仪器可直接从屏幕上选取，具有完整的模拟的数字混合仿真的功能，其元器库不仅提供了各种电路元器件，而且设计者还可以新建或扩充已有的元器件库。
在输出信号的观察上，EWB具有各种虚拟的仪器仪表设备，包含波形函数产生器，万用表，示波器及逻辑分析等，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析，时域和频域分析，器件的线性和非线性分析，电路的噪声、失声分析等。
②SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）：
是由美国加州大学推出的电路分析仿真软件，是20世纪80年代世界上应用最广的电路设计软件，1998年被定为美国国家标准。
1984年，美国MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版PSPICE（Personal-SPICE）。
现在用得较多的是PSPICE6.2，可以说在同类产品中，它是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件，在国内普遍使用。
最新推出了PSPICE9.1版本。
它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。
无论对哪种器件哪些电路进行仿真，都可以得到精确的仿真结果，并可以自行建立元器件及元器件库。
③SystemView：
是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真；是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计,；是一个完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化开发环境。
它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。
其最大特色的是，它可以很方便地进行各种滤波器的设计。
系统备有通信、逻辑、数字信号处理（DSP）、射频/模拟、码分多址个人通信系统（CDMA/PCS）、数字视频广播（DVB）系统、自适应滤波器、第三代无线移动通信系统等专业库可供选择，适合于各种专业设计人员。
该系统支持外部数据的输入和输出，支持用户自己编写代码（C/C＋＋），兼容Matlab软件。
同时，提供了与硬件设计工具的接口，支持Xilinx公司的FPGA芯片和TI公司的DSP芯片，是一个用于现代工程和科学系统设计与仿真的动态系统分析工具平台。
SystemView已大量地应用于现代数字信号处理、通信系统及控制系统的设计与仿真等领域。
④multiSIM（EWB的最新版本）软件：
是InteractiveImageTechnologiesLtd在20世纪末推出的电路仿真软件。
其最新版本为multiSIM7，目前普遍使用的是multiSIM2001，相对于其它EDA软件，它具有更加形象直观的人机交互界面，特别是其仪器仪表库中的各仪器仪表与操作真实实验中的实际仪器仪表完全没有两样，但它对模数电路的混合仿真功能却毫不逊色，几乎能够100%地仿真出真实电路的结果，并且它在仪器仪表库中还提供了万用表、信号发生器、瓦特表、双踪示波器（对于multiSIM7还具有四踪示波器）、波特仪（相当实际中的扫频仪）、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度分析仪、频谱分析仪、网络分析仪和电压表及电流表等仪器仪表。
还提供了我们日常常见的各种建模精确的元器件，比如电阻、电容、电感、三极管、二极管、继电器、可控硅、数码管等等。
模拟集成电路方面有各种运算放大器、其他常用集成电路。
数字电路方面有74系列集成电路、4000系列集成电路、等等还支持自制元器件。
MultiSIM7还具有I-V分析仪（相当于真实环境中的晶体管特性图示仪）和Agilent信号发生器、Agilent万用表、Agilent示波器和动态逻辑平笔等。
同时它还能进行VHDL仿真和VerilogHDL仿真。
⑤MATLAB产品族：
它们的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块，包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。
它具有数据采集、报告生成和MATLAB语言编程产生独立C/C++代码等功能。
MATLAB产品族具有下列功能：
数据分析；数值和符号计算、工程与科学绘图；控制系统设计；数字图像信号处理；财务工程；建模、仿真、原型开发；应用开发；图形用户界面设计等。
MATLAB产品族被广泛应用于信号与图像处理、控制系统设计、通讯系统仿真等诸多领域。
开放式的结构使MATLAB产品族很容易针对特定的需求进行扩充，从而在不断深化对问题的认识同时，提高自身的竞争力。
二、虚拟电子工作台
下面对EWB这款软件的功能和使用方法作详细的介绍。
EWB是ElectronicsWorkbench的缩写，称为电子工作平台，是一种在电子技术界广为应用的优秀计算机仿真设计软件，被誉为"计算机里的电子实验室"。
其特点是图形界面操作，易学、易用，快捷、方便，真实、准确，使用EWB可实现大部分硬件电路实验的功能。
电子工作平台的设计试验工作区好像一块"面包板"，在上面可建立各种电路进行仿真实验。
电子工作平台的器件库可为用户提供350多种常用模拟和数字器件，设计和试验时可任意调用。
虚拟器件在仿真时可设定为理想模式和实模式，有的虚拟器件还可直观显示，如发光二极管可以发出红绿蓝光，逻辑探头像逻辑笔那样可直接显示电路节点的高低电平，继电器和开关的触点可以分合动作，熔断器可以烧断，灯泡可以烧毁，蜂鸣器可以发出不同音调的声音，电位器的触点可以按比例移动改变阻值。
电子工作平台的虚拟仪器库存放着数字电流表、数字电压表、数字万用表、双通道1000MHz数字存储示波器、999MIHz数字函数发生器、可直接显示电路频率响应的波特图仪、16路数字信号逻辑分析仪、16位数字信号发生器等，这些虚拟仪器随时可以拖放到工作区对电路进行测试，并直接显示有关数据或波形。
电子工作平台还具有强大的分析功能，可进行直流工作点分析，暂态和稳态分析，高版本的EWB还可以进行傅立叶变换分析、噪声及失真度分析、零极点和蒙特卡罗等多项分析。
2.1EWB的主窗口
启动EWB5.0可以看到如图，它由菜单栏、工具栏、元器件库区、电路设计区、电路描述窗口、状态栏和暂停按钮、启动/停止开关组成。
图4.1.1ElectronicsWorkbench主窗口
从图中可以看到，EWB模仿了一个实际的电子工作台，其中最大的区域是电路设计区，在这里可进行电路的创建、测试和分析。
在电路描述窗口中，可键入文本以描述电路。
“O/I”和“Pause”用于控制电路仿真与否。
状态栏显示鼠标所指处元件或仪表的名称，在仿真时，显示仿真中的现以及分析所需的时间，此时间不是实际的CPU运行时间。
2.2工具栏
为方便使用，EWB将一些常用的命令以图标按钮的形式组成常用工具栏，使用者直接单击按钮就可以实现相应的操作。
EWB的工具栏各按钮的名称和功能如图
图2.2.1工具栏常用按钮
2.3元器件库
EWB的元器件库提供了非常丰富的元器件和各种常用测试仪器，设计电路时，只要单击所需元器件库的图标即可打开该库。
图2.3.1元器件库
图2.3.2信号源子库
图2.3.3基本器件子库
2.4电路的创建
1、元器件的操作
调用：
单击元器件所在的库图标，打开该元器件库，从下拉的子库中选中所需元器件拖拽到电路设计区的合适位置。
在数字集成电路库、逻辑门电路库和数字功能电路库中，有些集成电路和器件它们的图形被拖拽到电路设计区后将出现一对话框，需进行模型选择。
当单击接受按钮后，该模型出现在设计区内。
选中：
单击某元器件，即可选中该器件。
按住“Ctrl”键反复单击要选中的元器件，可选中一组元器件。
在设计区的某位置拖拽出一矩形框，可选中矩形区域里的所有元器件。
选中的元器件变为红色以示区别。
移动：
拖拽元器件可移动该元器件。
选中一组元器件，拖拽其中任意一个元器件，可移动一组元器件，元器件移动后连线会自动排列。
旋转、翻转、复制和删除：
选中元器件，单击工具栏的相应按钮或选择相应的菜单命令，实现元器件的旋转、翻转、复制和删除。
此外，直接将元器件拖拽到元器件库也可实现删除操作。
2、元器件参数设置
选中元器件后，单击工具栏的元器件属性按钮或选择菜单Circuit/ComponentProperties命令，或双击该元器件会弹出属性设置对话框，在此对话框中有多项设置，包括Label（标识）、Models（模型）、Value（数值）、Fault（故障设置）、Display（显示）、AnalysisSetup（分析设置）等内容。
这些选项的含义和设置方法如下：
Label选项用于设置元器件的Label（标识）和ReferenceID（编号），编号通常由系统自动分配，用户也可以修改，但必须保证其唯一性。
Value选项用于简单元器件的参数设置，Models选项用于较复杂元器件的模型选择，模型的Default（缺省设置）通常为Ideal（理想），这有利于加快分析速度，多数情况下能满足分析要求。
如对分析精度有特殊要求，可以选择具有具体型号的器件模型。
Fault选项可供人为设置元器件的隐含故障。
它提供了Open（开路），即在选定元器件的两个端子之间接上一个大阻值电阻使其开路。
Short（短路），即在选定元器件的两个端子之间接上一个小阻值电阻使其短路。
Leakage（泄漏），即在选定元器件的两个端子之间接上一个电阻使电流被旁路。
通过故障的设置，为电路的故障分析提供了方便。
Display选项用于设置LabelValues（Models）ReferenceID的显示法。
AnalysisSetup用于设置电路的工作温度等有关参数。
3、可控元器件参数设置
〈1〉数值可调元件设置
属于这部分的元件有电位器、可变电容、可调电感。
以电位器为例说明。
选中并双击电位器元件，打开参数设置对话框，Value项里有四个选项：
Resistance选项设定电阻值；Setting选项设定起始电阻值，其物理意义是电位器接入电路后由阻值的Setting选项设定值开始变化；Increment选项设定阻值变化一次的幅度；Key选项设定控制键的符号键。
当电路进行仿真时，电位器由阻值的50%开始变化，实验者每按动一次键盘上的“R”键，阻值减少5%，同时按“Shift+R”键，阻值增加5%。
对话框中的默认值均可改变。
〈2〉可控元件的设置
属于这部分的元件有继电器、开关、延时开关、电压控制开关、电流控制开关、压控模拟开关。
现以开关为例说明。
选中并双击开关元件，打开参数设置对话框如图4.4.5，在Value项里键入控制健的符号键。
在电路仿真时，当我们按动一次“W”键，开关中的刀就动作一次，从而完成电路的切换。
4、电路图选项的设置
选择Circuit/SchematicOptions菜单命令可弹出电路图选项设置对话框。
Grid（栅格）选项可设置栅格的使用与否，如选中使用，则电路图中的元
器件与导线均落在栅格线上，可保持电路图横平坚直，美观整齐。
Show/Hide（显示/隐藏）选项可设置标号、数值、元器件库的显示方式。
该设置对整个电路图的显示方式有效。
Fonts选项可设置Label、Value和Models的字体和字号。
5、导线的操作
导线的连接：
将鼠标指向元器件的端点使其变成一个小圆点，然后拖拽出一根导线至另一元器件或连接点的端点，出现另一个圆点后释放鼠标左键，完成导线的连接。
连线的删除和改动：
将连线的一端拖离元器件的端点即可删除连线。
如将其拖拽至另一个连接点，即可完成连线的改动。
连线的移动：
将光标贴近该导线，按下鼠标左键，这时光标变为一双箭头，拖拽即可移动该导线。
导线颜色设置：
双击导线弹出WireProperties对话框，选择SchematicOptions选项，单击“SetWireColor”按钮，即可选择合适的颜色。
在连线中插入元器件：
直接将元器件拖拽至导线上，该元器件即可插入电路。
连接点的使用：
一个连接点最多可以连接来自4个方向的导线，可以直接将连接点插入连线中，还可以给连接点赋予标识。
2.5、虚拟仪器的使用
EWB5.0仪器库为使用者提供了数字万用表、函数信号发生器、示波器、波特图仪4种模拟仪器和字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪3种数字仪器。
它们均只有一台。
使用时，单击仪器库图标，拖拽所需仪器图标至电路设计区，按要求接至电路测试点，然后双击该仪器图标就可打开仪器的面板，进行设置和测试。
模拟仪器（除波特图仪）在接入电路并仿真开始之后，若改变电路的测试点，则显示的数据和波形也会相应变化，而不用重新启动电路。
而波特图仪和数字仪器则应重新启动电路。
下面分别介绍每种仪器的使用。
1、数字万用表
这是一种能自动调整量程的数字万用表，在面板中根据测试要求，可设置为直流电压、电流档，交流电压、电流档，电阻档和分贝档。
单击Settings（参数设置）可设置电流档内阻、电压档内阻、电阻档的电流值和分贝档的标准电压等内部参数。
使用时要注意在测电阻时，必须使电子工作台“O/I”开关处于“启动”状态。
在测量交流电压和电流时面板显示的值为有效值。
2、函数信号发生器
函数信号发生器是用来产生正弦波、方波、三角波信号的仪器，它能够产生0.1Hz—999MHz的3种信号。
信号幅度（信号峰值）可以在mV级到999kV之间设置。
占空比只用于三角波和方波，设定范围为（0.1—99）%。
偏置电压设置是指把三种波形叠加在设置的偏置电压上输出。
在仿真过程中要改变输出波形的类型、大小、占空比或偏置电压时，必须暂时关闭“O/I”开关，对上述内容改变后，重新启动，函数信号发生器才能按新设置的数据输出信号波形。
3、示波器
EWB中的虚拟示波器外观及操作与实际的双综单扫描示波器非常相似。
当单击面板中Expand（扩展）按钮时，可以将面板进一步展开，这样能够更细致地观察波形。
用鼠标拖拽读数指针可进行精确测量。
在扩展的面板中，单击“Reduce”按钮，可恢复面板原来大小；单击“Reverse”按钮，可改变屏幕背景颜色；单击“Save”按钮，可以以ASCLL码格式存储波形读数。
示波器显示波形的颜色可以通过设置连接示波器的导线颜色确定。
4、波特图仪
波特图仪类似于扫频仪，可以测量和显示被测电路的幅频特性和相频特性,波特图仪有IN和OUT两对端口，IN输入端口接被测电路的输入端，OUT输出端口接被测电路输出端。
在使用波特图仪时，必须在电路的输入端接入AC（交流）信号，对频率没有特殊要求。
频率测量的范围由波特图仪参数设置确定。
5、字信号发生器
字信号发生器是一个能够产生16位同步逻辑信号的仪器，用于对数字逻辑电路进行测试时的测试信号或输入信号。
字信号发生器图标下沿有16个输出端口。
输出电压范围是低电平OV，高电平为4—5V。
输出端口与被测电路的输入端相连。
〈1〉字信号编辑区
编辑和存放以4位16进制数表示的16位字信号，可以存放1024条字信号，地址范围为0—3FF（十六进制数），其显示内容可以通过滚动条上下移动。
用鼠标单击某一条字信号即可实现对其的编辑。
正在编辑或输出的某条字信号，它被实时的以二进制数显示在“Binary”框里和十六位输出显示板上。
对某条字信号的编辑也可在“Binary”框里输入二进制数来实现，系统会自动地将二进制数转换为十六进制数显示在字信号编辑区。
〈2〉字信号地址编辑区
编辑或显示与字信号地址有关的信息。
Edit显示当前正在编辑的字信号地址。
Current显示当前正在输出的字信号地址。
Initial编辑和显示输出字信号的首地址。
Final编辑和显示输出字信号的末地址。
〈3〉输出方式选择
Cycle字信号在设置的首地址和末地址之间周而复始地输出。
Burst字信号从设置的首地址逐条输出，输出到末地址自动停止。
Step字信号以单步的方式输出。
即鼠标点击一次，输出一条字信号。
BreakPoint用于设置断点。
在Cycle和Burst方式中，要想使字信号输出到某条地址后自动停止，只需预先点击该字信号，再单击“BreakPoint”按扭。
断点可设置多个。
当字信号输出到断点地址而暂停输出时，可单击Workbench主窗口上的“Pause”按钮或按“F9”键来恢复输出。
清除设置的断点地址时，打开Pattern对话框，单击“ClearBuffer”按钮即可。
〈4〉触发方式选择
Internal内触发方式。
字信号的输出直接受输出方式Step、Burst和Cycle的控制。
External外触发方式。
当选择外触发方式时，需外触发脉冲信号，且需设置“上升沿触发”或“下降沿触发”，然后选择输出方式，当外触发脉冲信号到来时，才能使字信号输出。
输出频率设置控制Cycle和Burst输出方式下字信号输出的快慢。
数据准备好输出端输出与字信号同步的时钟脉冲。
5、逻辑分析仪
逻辑分析仪可以同步纪录和显示16路逻辑信号，可用于对数字逻辑信号的高速采集和时序分析， 面板左边的16个小圆圈对应16个输入端，小圆圈内实时显示各路输入逻辑信号的当前值，从上到下
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